回转窑专家系统综合知识表示方法的研究-论文

２０１５年８月　第３４卷第８期　洛阳师范学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｕｇ．，２０１５　

Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．８　

回转窑专家系统综合知识表示方　朱玲利，孙亦博　（洛阳师范学院信息技术学院，河南洛阳４７１０２２）　

法的研究　

摘要：研究了专家系统中知识的表示方式以及选择他们必须遵循的原则．针对复杂机械产品回转窑领域知　识模糊性、关联性以及来源多样性等特点，选择了产生式规则、框架为基础的面向对象相结合的综合表示方　法，减少系统数据冗余，提高了推理效率．　关键词：回转窑；专家系统；产生式规则；知识表示；知识库　中图分类号：ＴＰ１８２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—４９７０（２０１５）０８—００６８—０４　

回转窑是冶金、建材、化工等行业领域使用的关　键设备，它由简体装置、支撑装置、挡轮装置、传动　装置等部件组成．为了满足不同用户的需求，快速准　确地实现回转窑参数化设计的专家系统研究已经开　展¨　Ｊ．知识库是智能设计系统的核心部分，知识的　表示方式影响着推理机的运作模式和运行效率＿３］．　回转窑的领域知识是回转窑智能设计系统知识库的　来源　Ｊ．与一般专家系统知识不同的是，回转窑属于　大型、复杂且应用领域较多的机械产品，且知识来源　既有生产实践经验，也有试验和ＣＡＥ模拟分析结论　等，如何把这些领域知识合理有效地在智能设计系　统中表达出来是文章研究的重点．　１知识表示方法选择研究　所谓的知识表示就是研究在计算机中如何最有　效地对系统所需要的各种知识进行组织＿５』．常用的　知识表示方法有：产生式规则、框架、语义网络、　过程体、面向对象的表示方法等　础ｊ．合理选择知　识表示方法应该遵循以下原则：　（１）准确且充分表达知识：知识表示方法应能确　切和充分地表达相关领域内各种各样的知识；（２）方　便的调用：知识表达的目的是能都高效地被智能设　计系统中的推理机调用，同时支持推理过程中的各　种控制策略对冲突的解决；（３）知识表达便于理解：　知识表达应方便于设计工程师理解和操作．　２　回转窑知识特点与知识表示的实现　２．１　回转窑机知识的特点　回转窑应用到的领域很多，包括煅烧石灰，烧　结球团，煅烧水泥，还原氧化铝，干燥焦炭，化肥　造粒等，同时本身结构复杂，且相互关联．具体地，　回转窑的领域知识有下列特点：（１）复杂性．在回　转窑关键部件的结构设计中，影响其设计因素很　多，且在各个应用的行业虽然总体结构相同，但是　结构参数却大不相同；（２）模糊性．回转窑设计需　要用到大量的专家经验知识，而这些经验知识大部　分不确定的数值；（３）关联性．回转窑是一个有机　的整体，各部件之间设计参数互相影响；（４）来源　多样性．回转窑的领域知识不仅有专家经验知识，　也有现代科学手段得到的创新知识．如基于Ｆｌｕｅｎｔ、　ＥＤＥＭ等虚拟仿真技术得到的计算公式、趋势图　等　．　２．２　回转窑知识表示的实现　回转窑领域知识复杂性、模糊性、关联性和来　源多样性的特点，决定了采用单一的知识表示方　法，实现回转窑知识库的建立是比较困难的．综合　考虑回转窑领域知识的特点，在回转窑专家系统中　采用产生式规则、框架和面向对象相结合的综合表　示方法．回转窑专家系统的知识库以ＶＣ＋＋和ＳＱＬ　ＳＥＲＶＥＲ作为开发工具．　

收稿日期：２０１４—０９—０３　基金项目：河南科技攻关项目（１４２１０２２１０４７５）；河南省重大科技专项（０８１１００６１０１００）　作者简介：朱玲利（１９８１一），女，河南偃师人，硕士，讲师．研究方向：图像处理，模式识别，人工智能　

６８·　洛阳师范学院学报２０１５年第８期　２．２．１　回转窑知识产生式规则表达　对于是因果关系的回转窑设计知识，采用产生　式规则的形式表示．在数据库中，它由存放前提条　件的规则前提表，用于存放结论的规则后项表和规　则连接表等三部分组成，见表１～表３．　表１规则前提表　

ＰｒｅＣｏｎ　前提条件　ＩＦ　ＩＤ　ＩＦ　Ｐａ　ＩＤ　规则前提号　

相关参数号　Ｔａｂ　相关参数所在的表格　

规则前提条件和结论既可以是数值型知识，也　可以存放“模糊的”描述性知识．由于回转窑知识的　复杂性，对于同一个前提条件可能会有不同的规则　与其匹配成功，在推理过程中会引起冲突．因此在　每个规则连接表设置优先级，用于区别不同规则优　先级的高低，更有利于支持推理机的控制策略．　规则知识由多个规则表组成，他们之间通过ＩＤ　号匹配．推理机调用规则过程中首先搜索所有相关　前提和以及前提号相关的规则连接表，然后提取规　则连接表中前提数量，一一匹配相应的规则前提　号；如果同时有两条以上的规则连接表满足条件，　那么由推理机对比他们之间的优先级，选用优先级　高的规则连接表，并使用该规则表对应的结论号，　调取相应的规则结论表的结论作为推理结果．规则　表之间的关联模型如图１．　如图１所示，规则前提和后项通过他们之间的　ＩＤ号连接．优先级的值越高，优先级越高，在回转　窑的专家系统知识库中优先级选择０—１之间数；优　先级的数值在产生式规则生成时由知识工程师　设定．　规则序　规则名称　规则前提号　结论名称　前提数量　产　结论序号　优先级　结论　图１规则表关联模型　下面以决定回转窑支承档数的其中一条知识规　则为例进行说明．　规则前提表：　２１０６（前提ＩＤ）：回转窑产品（参数），石灰（规　则条件）　２１０７（前提ＩＤ）：海拔高度（参数），大于１０００ｍ　（规则条件，模糊条件）　２１０８（前提ＩＤ）：燃料热值（参数），＞　２８００Ｋｃａｌ／ｍ　（规则条件，模糊条件）　规则结论表：　４１０１（后项ＩＤ）：回转窑支撑（参数），２档（规　则结论）优先级，０．９５０　２．２．２　回转窑知识框架表达　回转窑专家系统中，有些设计参数具有关联　性，设计师输入或者经推理机得到的参数数值会　影响和改变其他相互关联的参数，这类知识属于　“动态知识”．对回转窑涉及到参数类知识使用知　识框架的表示方式，在框架中将参数设定成带有　布尔值以表示和非动态知识的区别．设计过程的　“动态知识”是可以不通过设计工程师而直接改　变，以体现设计参数的相关性．但是如果让“动态　知识”无序的互相影响而改变，最终会造成智能设　计系统的混乱甚至于崩溃．因此需要对这类互相　影响的参数设定优先级，优先级低的参数被动接　受优先级高的参数影响而改变原数值．回转窑设　计参数的“动态知识”优先级的高低由知识工程师　通过对设定的。　在框架知识中每个参数对应一个槽，槽值可以　是规则前项、后项或是方法的数值计算结果．参数　是否激活状态由布尔数决定，“１”表示参数是相互　关联数，“０”则表示参数是非关联．回转窑的设计　参数中，以燃料的热值为例介绍框架表达方式在数　据库如何存储．　６９．　洛阳师范学院学报２０１５年第８期　表４参数在数据库中的存储　

２．２．３　回转窑知识面向对象表示表达　回转窑专家系统面向对象知识表示方式是通过　ＶＣ＋＋来实现的．它由参数结构体、规则类、函数　类组成．　１）参数结构体将回转窑设计知识参数化，将复　杂的知识分解，减少系统冗余．通过参数结构体生　成的成员，读取数据库中参数，完成对参数的增　加、修改、存储等操作．参数结构体的结构如下所　示．　ｓｔｒｕｃｔ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ／／参数结构体　｛　ｉｎｔ　ｍＰａＩＤ；／／参数ＩＤ号　ＣＳｔｒｉｎｇ　ｍＰａ

ｎａｍｅ；／／参数名称　

ＣＳｔｒｉｎｇ　ｍＰａ

ｖａｌｕｅ；／／参数值　

ＣＳｔｒｉｎｇ　ｍＰａ

ｕｎｉｔ；／／参数单位　

ｉｎｔ　ｍＢＯＯＬＥ／／参数的类型　ｉｎｔ　ｍＰａｄａｔａｔｙｐｅ；／／参数数据类型　ｄｏｕｂｌｅ　ｍＰａ

ｐｒｉｏｒｉｔｙ；／／优先级　

｝；　２）规则类生成的对象读取数据库中规则，推理　机程序能够方便地完成对规则的调用．规则类的结　构形式如下所示．　ｃｌａｓｓ　ＣＲｕｌｅｓ／／规则类　｛　ｐｕｂｌｉｃ：　ｉｎｔ　ｍＩＦＩＤ；／／前提号　ＣＳｔｒｉｎｇ　ｒｅＩＦ；／／：规则的条件　ｉｎｔ　ｍＴＨ

ＩＤ；／／结论号　

ＣＳｔｒｉｎｇ　ｍＴＨ；／／：规则的结论　ｉｎｔ　ｍＰａＩＤ；／／参数ＩＤ　ｉｎｔ　ｍＲＩＤ；／／规贝０号　ＣＳｔｒｉｎｇ　ｍＲＮａｍｅ；／规贝Ⅱ名称　ｆｌｏａｔ　Ｐｒｉｏｒｉｔｙ；／／规则置信度　７０·　ｉｎｔ　ｍＩＦＮｏ；／／前提数量　ｉｎｔ　Ｃｏｕｎｔｅｒ（）；／／搜索所有可用条件　｝；　３）试验和ＣＡＥ模拟分析所得到的结论、曲线、　图表等，如文献［２，９］所涉及的回转窑参数的设计　理论、方法、公式等，将这类知识设计成函数封装　在函数类中．函数类的构成如下所示．　ｃｌａｓｓ　ＣＦｕｎｃｔｉｏｎ／／函数类　｛　ｐｒｉｖａｔｅ：　ｉｎｔ　ｍＭｅｔｈＩＤ；／／函数ＩＤ　ｐｕｂｌｉｃ：　ｉｎｔ　ＧｅｔＩＤ（）；／／获取函数ＩＤ　ＧＯ（）；／／调用函数　ｆｌｏａｔ　ＬｉｍｅＭｏｖｅｔｉｍｅ（ｄｏｕｂｌｅ　Ｌ—Ｄ；ｄｏｕｂｌｅ　ｒｅｖ；ｄｏｕｂｌｅ　ｓｌｏｐｅ；ｄｏｕｂｌｅ　ｍａｔｅｒｉａｌａｎｇｌｅ；ｄｏｕｂｌｅ　ｓｔｏｎｅＤ）；／／物料停留时间计算函数　｝；　２．３　回转窑专家系统知识库框架　根据回转窑设计知识的特点，将回转窑知识库　分为：整机知识库、零部件知识库（简体装置、支撑　装置、挡轮装置、传动装置、密封）、常用原料知识　库和常用燃料知识库．他们都是有参数结构体、规　则类和函数类派生而成，以减少系统数据冗余．派　生出的对象由推理机完成对数据库的操作与维护．　回转窑知识库系统框架如图２示．　一＿．　＿．－＿　＿－：：　：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：　圆辖霉知识库系统　：　聂　要量　＝＿－］　一　’～…一　’一　一‘一。一　］　参数结构伴舰刚类函数类　ｌ：　Ｉ　图２知识库框架　２．４运行实例　为了能够方便地现实回转窑知识库管理与维　护，在回转窑专家系统中建立了知识库管理系统，　完成对参数库、规则库、函数类的添加、删除、更　改等操作，包括完成知识和规则冲突性检查、数据　的更新等等．图３～图５是回转窑专家系统知识库　管理系统的运行界面．　

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